TWI463547B - 使用含有水蒸汽環境的半導體晶圓處理製程 - Google Patents

使用含有水蒸汽環境的半導體晶圓處理製程 Download PDF

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Description

使用含有水蒸汽環境的半導體晶圓處理製程
本發明係關於使用含有水蒸汽環境之半導體晶圓處理製程。更具體言之，本發明係關於水蒸汽藉以施配至處理腔室中以向該腔室提供一經界定之含有水蒸汽之大氣環境的製程。
本申請案主張2008年5月15日所申請之名為「PROCESS FOR TREATMENT OF SUBSTRATES WITH WATER VAPOR OR STEAM」的美國申請案第12/152,641號之權利，且主張2008年11月18日所申請之名為「PROCESS FOR TREATMENT OF SEMICONDUCTOR WAFER USING WATER VAPOR CONTAINING ENVIRONMENT」的美國臨時申請案第61/199,581號的權利，該等申請案之全文以引用的方式併入本文中。
電子技術中之進步使得積體電路以活性組份之不斷增大的填充密度形成於諸如矽晶圓之基板上。電路之形成係藉由依序塗覆、處理及自基板選擇性移除各種組份來進行。
有時需要將蒸汽傳遞至半導體晶圓處理腔室作為處理製程之一態樣。美國專利第6,837,252號描述一種藉由蒸汽及臭氧處理工件之裝置。此專利之揭示內容描述替代組態，藉此將液體施配至該腔室中(如該專利之圖4中所展示)，且如該專利之圖5中所展示而施配蒸汽。如彼處所描述，蒸汽由一蒸汽產生器或鍋爐產生。參見第15行，第37至56列。
在美國專利申請公開案第2007/0161248號中，在段處描述用於藉由在一處理腔室外部產生蒸汽而將水蒸汽引入該處理腔室中之各種方法。具體言之，揭示內容陳述「舉例而言，外部產生之水蒸汽可作為氣體或氣體之混合物的組份被供應至腔室。在一實施例中，可藉由經由一水(較佳為熱水)柱鼓泡氣體(例如N2 )來產生蒸汽。在另一實施例中，氣體可穿過一定量之水之表面。在另一實施例中，氣體可穿過一如化學工程中通常使用之灌溉填充柱。在另一實施例中，大體上純淨之水蒸汽可藉由煮沸液體水而產生。來自此等替代例中之任一者之氣態產物可經進一步加熱。其他實施例亦係可能的。」
將需要識別用於使用水蒸汽處理半導體晶圓之替代技術及系統。
已發現溫度敏感半導體晶圓處理過程由於多種原因而展現跨越晶圓之表面的非均一性，該等原因包括至環境之熱傳遞、蒸發冷卻及晶圓與處理液體之間的溫度差異(及相關聯之非均一加熱/冷卻分布)。
在本發明中，藉由利用用於在目標晶圓溫度下處理半導體晶圓之獨特製程將跨越晶圓表面之溫度差異最小化。在本發明中，提供用於在一目標晶圓溫度下處理一半導體晶圓的製程。此製程包括以下步驟：a)在一給定晶圓處理製程步驟期間判定該半導體晶圓之
目標晶圓溫度；b)提供當中安置有至少一半導體晶圓的處理腔室；c)以一量將水蒸汽施配至處理腔室中以向該腔室提供具有足夠接近目標晶圓溫度以提供一溫度調節效應之露點的大氣環境；及
d)當處理腔室之大氣環境在步驟c)之露點處時起始該給定晶圓處理製程步驟。
雖然不受理論約束，但咸信在本發明之製程中藉由以下現象中之一或多者改良跨越晶圓表面之溫度均一性：溫度控制： 藉由將施配水蒸汽添加至處理腔室內以提供具有如所指定之露點之大氣環境，可將該環境之飽和溫度(亦即，水開始冷凝之溫度)設定至所要之處理溫度。以此方式，晶圓上之任何冷點(cool spot)將傾向於冷凝來自潮濕環境之水，藉此將最初較冷點之溫度提高至所要溫度。
蒸發控制： 因為可將大氣環境設定為經加濕之環境，所以本質上含水之晶圓處理組份(或「化學物質」)將傾向於停留在晶圓上而非被蒸發掉。同樣，在晶圓上之適當位置之含水化學物質中的水將僅自任何溫點蒸發直至晶圓之局部溫度下降至露點為止。因為在本發明之製程之實施例中限制蒸發，所以避免相關聯之冷卻效應且晶圓之溫度傾向於保持為較為均一。
當露點足夠接近晶圓之溫度時，水蒸汽之蒸發及/或冷凝賦予一溫度調節效應。
本發明提供使用給予對製程條件之優良控制之製程的簡易性，該優良控制可導致製程結果之極佳均一性。
被併入本申請案中並組成其一部分之隨附圖式說明本發明的若干態樣，且連同對實施例之描述一起用於解釋本發明之原理。
以下所描述之本發明之實施例並不意欲為詳盡的或將本發明限於以下詳細描述中所揭示之精確形式。實情為，所選擇及所描述之實施例之一目的為使得可促進其他熟習此項技術者對本發明之原理及實務的瞭解及理解。
在本發明之製程中，吾人在一給定晶圓處理製程步驟期間首先判定半導體晶圓之目標晶圓溫度。在典型晶圓處理製程中，需要將晶圓之溫度升高至特定預定溫度以促進晶圓與處理化學物質之間的所要之相互作用。應理解，有可能在一特定溫度範圍內進行反應。當進行本發明之製程時，熟習此項技術者可特意地將單一目標溫度選擇為一工作點，或可事實上藉由建立用於進行製程之工具設定參數而選擇此目標溫度，藉此在不實際上識別一經量測之溫度值的情況下判定作為一目標的溫度將為多少。
提供一當中安置有至少一半導體晶圓的處理腔室。該處理腔室可為經設計以一次容納一半導體晶圓或容納複數個半導體晶圓之腔室。在一實施例中，該處理腔室為一噴霧處理器。噴霧處理器通常已被知曉，且提供藉由在轉盤或迴轉料架上旋轉或轉動晶圓(圍繞其自身之軸或圍繞一共同軸)而以離心力移除液體的能力。適用於根據本發明之調適之例示性噴霧處理器機器描述於美國專利第6,406,551號及第6,488,272號中，其全文以引用之方式完全併入本文中。噴霧處理器類型之機器可(例如)以商標名稱MERCURY或ZETA中之一或多者而自FSI International,Inc.of Chaska,MN購得。適用於根據本發明之調適之單晶圓噴霧處理器系統的一實例可自SEZ AG,Villach,Austria購得且以商標名稱SEZ 323出售。適用於根據本發明之調適之工具系統的另一實例描述於2006年3月15日所申請之名為BARRIER STRUCTURE AND NOZZLE DEVICE FOR USE IN TOOLS USED TO PROCESS MICROELECTRONIC WORKPIECES WITH ONE OR MORE TREATMENT FLUIDS的美國專利申請案第11/376,996號中；或如美國專利申請公開案第2005/0205115號中所描述。
一旦晶圓被提供於處理腔室中，即可視情況藉由使用任何適當技術(諸如藉由使用輻射熱來加熱腔室；藉由將熱水或其他液體溶液引入至該晶圓，其中在處理化學物質之塗覆之前視情況大體移除經加熱的液體；及藉由將經加熱之氣體引入至腔室；及其類似技術)將該晶圓預加熱至或預加熱為接近於以上所判定之目標晶圓溫度。在本發明之一實施例中，可藉由將一或多個晶圓浸沒於經加熱之液體浴中、迅速排乾浴中內含物(例如一「快速傾倒」程序)且進行如以下所描述之剩餘處理步驟來預加熱晶圓。該浴液體可為(例如)DI水、含有硫酸之DI水、硫酸/過氧化氫混合物、惰性流體(諸如碳氟化合物)、硫酸/臭氧混合物及其類似物。此實施例可在藉由更有效地加熱晶圓來增強處理製程之產量中提供實質益處。可用以使用此實施例之特別適合之製程系統的一實例為可購自FSI International,Chaska,Minnesota之Magellan系統。
以對於向腔室提供具有處於目標晶圓溫度之露點之大氣環境有效之量將水蒸汽施配至處理腔室中。出於本發明之目的，將水蒸汽界定為呈氣態形式之水，且區別於通常被稱為「霧」之水之小液滴。因為霧為經冷凝而呈小液滴形式之水，所以當霧位於一表面上時本質上不存在會對應於汽化熱之純暖化效應。出於本發明之目的，蒸汽為處於或高於水之沸點之汽化水，水之沸點視壓力而定，例如若壓力為1大氣壓，則水之沸點為100℃。當以高於水之沸點之溫度提供蒸汽時，其被稱為過熱蒸汽。水蒸汽視情況可由包含諸如諸如臭氧之溶解氣體或諸如氮之惰性氣體的除水之外之組份的組合物提供。預期水蒸汽可以任何方式被供應至處理腔室(本質上純淨或以組合物形式，高於或低於或處於100℃且具有高於、低於或處於1大氣壓之水蒸汽壓力或分壓)。水蒸汽視情況可進一步包含額外成份，諸如如以上所論述之氧化劑或用於晶圓清潔之組份(包括NH4 OH、硫酸、HF、氟化銨、H3 PO4 、HCl、過氧化物、臭氧及其組合)。另外預期諸如界面活性劑、共溶劑或其類似物之其他成份的併入。
如在半導體晶圓處理技術中所慣常知曉，可由一蒸汽產生器或鍋爐提供水蒸汽。如2008年11月18日所申請之名為SYSTEM FOR SUPPLYING WATER VAPOR IN SEMICONDUCTOR WAFER TREATMENT的美國臨時專利申請案第61/199,580號(出於所有目的，該案之揭示內容以引用方式併入本文中)中所描述，視情況，可藉由使用一水蒸汽施配器系統來提供晶圓蒸汽。此水蒸汽施配器包含：i)一熱水源；ii)一水蒸汽分離器；iii)一第一管道，其以流體方式將該熱水源連接至該水蒸汽分離器；iii)一在該第一管道中之流體控制閥，其控制熱水源與水蒸汽分離器之間的流體流動；及iv)一第二管道，其以流體方式將水蒸汽分離器連接至處理腔室用於將水蒸汽傳遞至該處理腔室內部。
露點為一溫度，空氣必須冷卻至該溫度(在恆定壓力及恆定水蒸汽內含物下)以便達到飽和。當腔室中之空氣保持在現有溫度及壓力下可能存在之最大量的水蒸汽時，處理腔室之大氣為飽和的。水分將冷凝至處於一處於或低於露點之溫度下之任何表面上藉此將能量傳遞至該表面。
當處理腔室之大氣環境處於足夠接近目標晶圓溫度以提供溫度調節效應之露點時，起始給定晶圓處理製程步驟。在本發明之一實施例中，該露點在目標晶圓溫度之大約20℃內。在另一實施例中，該露點在目標晶圓溫度之大約10℃內。在另一實施例中，該露點在目標晶圓溫度之大約5℃內。在另一實施例中，當處理腔室之大氣環境處於在目標晶圓溫度下之露點時及當晶圓在目標晶圓溫度下時，起始晶圓處理製程步驟。在另一實施例中，當處理腔室之大氣環境的溫度遠離目標晶圓溫度但大氣之溫度及露點快速移向目標晶圓溫度(在與處理步驟長度相比較而言較短之時間內接近目標溫度)時，起始晶圓處理製程步驟。換言之，特別預期可在處理腔室達到所要之大氣溫度及/或露點前之某一時間起始晶圓處理製程步驟，其條件為所要之晶圓處理在一在該處理步驟之一部分期間被賦予一溫度調節效應之晶圓上進行。
可在晶圓自身高於、低於或處於目標晶圓溫度時起始晶圓處理製程步驟。當晶圓高於目標溫度範圍時，晶圓將處於晶圓處理製程期間之冷卻過程中。在本發明之一實施例中，當晶圓處於目標晶圓溫度時起始晶圓處理製程步驟。當晶圓低於目標溫度範圍時，晶圓將處於晶圓處理製程期間之加熱過程中。本發明藉由提供當晶圓變熱時增強的溫度均一性而提供彼實施例中之益處。
已進一步發現吾人可使用本發明之製程來調整製程均一性。在將經加熱之化學物質直接塗覆至經預加熱之晶圓的典型中心施配半導體晶圓製程中，晶圓邊緣藉由比中心更迅速蒸發冷卻而損耗熱量。此情形可導致中心快速之製程。藉由在潮濕蒸汽環境(具體言之，為露點接近經加熱之化學物質之溫度的環境)中旋轉晶圓，可抑制自邊緣之蒸發。或者，在將經加熱之化學物質塗覆至一半導體晶圓(該晶圓尚未被預加熱至待塗覆至該晶圓的經加熱之化學物質的溫度)之情況下進行一製程。此製程將為中心快速的，因為晶圓中心最快變熱。若替代地在含有高水分蒸汽環境(具體言之，為露點高於經加熱之化學物質之溫度的環境)中執行此製程，則蒸汽將傾向於在晶圓之邊緣冷凝，從而使邊緣變熱。晶圓之旋轉邊緣將傾向於比晶圓之其他部分更迅速變熱，藉此抵消成為一中心快速之製程的傾向。
可以各種量及溫度提供如施配於處理腔室中之水蒸汽。在本發明之一實施例中，藉由將完全飽和水蒸汽施配至處理腔室中直至達到處理腔室內處於目標晶圓溫度之露點為止而達成處於目標晶圓溫度的露點。在另一實施例中，藉由將不完全飽和水蒸汽施配至處理腔室中直至達到處理腔室內處於目標晶圓溫度之露點為止而達成處於目標晶圓溫度的露點。不完全飽和水蒸汽可藉由以小於用以製備飽和環境之全容量操作水蒸汽源而提供，或可在全容量下操作但由非蒸汽流體流(諸如惰性氣體)來稀釋。在一實施例中，水蒸汽包含氮氣。
在本發明之一實施例中，水蒸汽被提供為大約100℃之溫度的蒸汽。
可用於本發明中之處理組合物的實例包括此項技術中習知之晶圓清潔系統，諸如SC-1組合物(NH4 OH/H2 O2 /水)、SC-2組合物(HCl/H2 O2 /水)、Piranha或SPM組合物(硫酸/H2 O2 )、SOM(硫酸/臭氧)組合物、硫酸組合物、緩衝氧化物蝕刻劑(HF及氟化銨)組合物，及NH4 OH、H3 PO4 、HF、HCl、HCl/H2 O2 或HF/HCl組合物。
可藉由經由一口添加N2 及藉由經由一單獨口添加蒸汽而對處理腔室之處理環境進行修改。視情況，可經由噴霧桿或經由口及噴霧桿兩者來添加蒸汽。可藉由調整蒸汽及N2 操作壓力而改變處理腔室環境，藉此改變添加至處理腔室之每一組份的量。
實例
現將參看說明本發明之原理及實務的以下實例來描述本發明之代表性實施例。
實例1
在處理腔室中提供一半導體晶圓(其在其表面上具有氧化物)。在控制過程中，在60秒之中心施配過程中將熱氫氧化銨/H2 O2 /水之混合物(APM，1：1：30)塗覆至晶圓，其中在20 psi下經由一口引入N2 。此對照標準展現出在中心處比在邊緣處快近似1埃的氧化蝕刻。參見圖1中標記為「APMN2」之資料。
與以上所描述相同的製程在蒸汽及N2 之環境中進行，藉此在20 psi下經由一口引入N2 且在20 psi之鍋爐壓力下經由一噴霧桿引入蒸汽。在此發明性製程中，自晶圓之中心至邊緣之蝕刻速率上的差異本質上消失。參見圖1中標記為「APMBOTH」之資料。
雖然不受理論約束，但可經由使用以下預期性實例而較佳地理解該發明性製程。
實例2
圖2展示在目標溫度下置放於乾燥大氣中之冷晶圓的溫度分布。輻射熱傳遞機制(且特定言之為對流熱傳遞機制)加熱晶圓直至其於目標溫度處達到平衡為止。然而，由於此等機制為緩慢的，因此最初為冷的晶圓之溫度僅僅緩慢地接近目標溫度。(為了簡短起見，在進一步論述中將僅提及對流機制。)圖2亦展示最初為熱的晶圓至目標溫度之緩慢冷卻。圖2之程序通常用於半導體工業中且並非本發明之實施例。
實例3
圖3表示本發明之最理想之實施例。圖3展示當大氣溫度及露點處於目標溫度(通常係處理液體之施配溫度)時液體及汽化水對加熱及冷卻過程的影響。為了參考，重複來自圖2之最初為熱的乾燥晶圓之溫度分布。無水蒸汽自最初為熱的乾燥晶圓冷凝或蒸發，所以本發明之熱傳遞機制不起作用。
藉由比較，圖3亦展示在目標溫度及露點下引入大氣中之最初為熱的濕潤晶圓(晶圓表面上之體積水(bulk water))之溫度分布。液體水蒸發，且水之汽化熱量迅速地使晶圓朝向目標溫度冷卻。然而，當晶圓溫度接近大氣之露點時，蒸發及其相關聯之冷卻終止。因此，最初為熱的濕潤晶圓之溫度迅速地達到目標溫度，但不超限而低於目標溫度。藉由蒸發水而移除之熱量比單獨使用對流快得多地將晶圓冷卻至目標溫度。
圖3亦展示在目標溫度及露點下將乾燥或濕潤之冷晶圓引入大氣中之結果。當晶圓溫度低於露點時，水蒸汽將冷凝至晶圓上，從而沈積蒸汽之汽化熱，迅速地將晶圓加熱至目標溫度。然而，當晶圓溫度接近露點時，冷凝及其相關聯之加熱終止。因此，最初為冷的濕潤或乾燥晶圓之溫度迅速地達到目標溫度，但不超限而高於目標溫度。藉由冷凝水添加之熱量比單獨使用對流快得多地將晶圓加熱至目標溫度。
在大氣之溫度及露點匹配晶圓之目標溫度的大氣中對最初為冷的濕潤或乾燥晶圓之加熱及對最初為熱的濕潤晶圓之冷卻表示本發明的最理想實施例。雖然僅利用水而進行描述，但預期其他液體之液體蒸汽平衡可用以控制溫度。舉例而言，乙二醇(沸點為198℃)可用以在大氣壓下高於100℃之溫度下進行處理。亦可藉由在高壓下使用水而支援升高之處理溫度。
實例4
圖4展示本發明之理想程度較低之實施例。理想地，大氣之溫度及露點匹配晶圓之目標溫度。當露點偏離目標溫度時，冷凝及蒸發之溫度調節效應減小。雖然具有接近目標溫度之大氣溫度及露點表示本發明之一實施例，但此情形與其處於目標溫度相比為理想程度較低的。圖4說明當露點充分低於目標溫度時之結果。為了參考，重複來自圖2之最初為熱的乾燥晶圓之溫度分布。
在圖4中，最初為熱的濕潤晶圓藉由區域I中之蒸發而迅速地冷卻。遺憾地，低露點允許蒸發繼續而進入區域II中，在區域II中蒸發冷卻使晶圓冷卻至低於目標溫度之平衡溫度。蒸發貫穿區域II繼續直至所有水已自晶圓蒸發為止。在區域III中，藉由對流而朝向目標溫度緩慢加熱當前乾燥之晶圓。熱下衝之量視蒸發之局部速率而定，其中接收大流量之乾燥氣體的表面比相對停滯之氣體流動中的表面更快地冷卻，且冷卻至一較低溫度。此情形導致非均一之溫度，且因此導致跨越晶圓表面之非均一化學處理。
圖4亦展示最初為冷之晶圓的溫度分布。無論最初為濕潤還是乾燥，在區域I中水均在冷晶圓上冷凝，從而迅速加熱冷晶圓直至其達到露點為止。高於露點時，情況相反，且使水蒸發減緩進一步加熱。僅當所有水已自晶圓蒸發時，溫度才攀升至目標溫度(區域III)。又，局部氣體流動中之變化可引起溫度之顯著變化且因此引起化學處理之活性上的變化。
一類似於圖4中之情況但其中大氣溫度及露點遠離目標溫度的情況不表示本發明之實施例。然而，一類似於圖4但其中大氣溫度及露點接近目標溫度的情況表示本發明之理想程度較低但仍潛在有用的實施例。舉例而言，咸信用於圖1之「APMBOTH」製程實例期間的發明性製程表示一情況，其中大氣溫度及露點稍微高於目標溫度(經施配之處理化學物質的溫度)，從而導致接近晶圓邊緣(氣體流動在晶圓邊緣處最高)處的稍稍過度之化學作用。然而，非理想條件仍導致與圖1之比較性「APMN2」製程實例之處理(其中不嘗試對大氣中之水蒸汽的控制)相較顯著較均一的處理。
除非另外指示，否則本文中所使用之所有百分比及比率為重量百分比及比率。本文中所引證之所有專利，專利申請案(包括臨時申請案)及公開案如同出於所有目的個別地併入一般而以引用之方式併入本文中。在前述描述中已闡述意欲藉由此文件描述之本發明之眾多特徵及優點，然而，應理解，雖然已說明本發明之特定形式或實施例，但可在不背離本發明之精神及範疇的情況下進行各種修改，包括對形狀及零件之配置及其類似物之修改。
圖1為展示與一對照標準相較的跨越根據本發明而進行之製程之晶圓之均一性評估的曲線圖。
圖2為展示在相對較乾燥之大氣中乾燥晶圓至該大氣溫度之平衡的曲線圖。
圖3為展示在露點接近大氣溫度(接近飽和)之大氣中的濕潤晶圓及乾燥晶圓之平衡的曲線圖。
圖4為展示在露點低於大氣溫度(低於飽和)之大氣中的濕潤晶圓及乾燥晶圓之平衡的曲線圖。

Claims (14)

  1. 一種用於在一目標晶圓溫度下處理一半導體晶圓之製程，其包含a)在一給定晶圓處理製程步驟期間判定該半導體晶圓之該目標晶圓溫度；b)提供一當中安置有至少一半導體晶圓的處理腔室；c)以一量將水蒸汽施配至該處理腔室中以向該腔室提供一具有一足夠接近該目標晶圓溫度，藉蒸發或冷凝，使晶圓溫度可以改變，以提供一溫度調節效應之露點的大氣環境；及d)當該處理腔室之該大氣環境在步驟c)之該露點處時起始該給定晶圓處理製程步驟。
  2. 如請求項1之製程，其中該露點在該目標晶圓溫度之大約20℃內。
  3. 如請求項1之製程，其中該露點在該目標晶圓溫度之大約10℃內。
  4. 如請求項1之製程，其中該露點在該目標晶圓溫度之大約5℃內。
  5. 如請求項1之製程，其中當該處理腔室之該大氣環境處於在該目標晶圓溫度下之該露點時及當該晶圓在該目標晶圓溫度下時，起始該晶圓處理製程步驟。
  6. 如請求項1之製程，其中該至少一半導體晶圓在將水蒸汽施配至該處理腔室中之前處於一低於該目標晶圓溫度之溫度下。
  7. 如請求項1之製程，其中該處理腔室之該大氣環境處於一在該目標晶圓溫度內之溫度下。
  8. 如請求項1之製程，其中該處理腔室之該大氣環境處於一高於該目標晶圓溫度之溫度下。
  9. 如請求項1之製程，其中藉由將完全飽和水蒸汽施配至該處理腔室中直至達到該處理腔室內處於該目標晶圓溫度之該露點為止而達成處於該目標晶圓溫度的該露點。
  10. 如請求項1之製程，其中該水蒸汽係處在一大約100℃之溫度的蒸汽。
  11. 如請求項1之製程，其中藉由將不完全飽和水蒸汽施配至該處理腔室中直至達到該處理腔室內處於該目標晶圓溫度之該露點為止而達成處於該目標晶圓溫度的該露點。
  12. 如請求項11之製程，其中該水蒸汽包含氮氣。
  13. 如請求項1之製程，其中該至少一半導體晶圓在將水蒸汽施配至該處理腔室中之前處於一高於該目標晶圓溫度之溫度，該晶圓包含在該晶圓表面上之液體含水組合物，且允許該晶圓冷卻至該所要之目標溫度。
  14. 一種用於在一目標晶圓溫度下處理一半導體晶圓之製程，其包含a)在一給定晶圓處理製程步驟期間判定該半導體晶圓之該目標晶圓溫度；b)提供一當中安置有至少一半導體晶圓的處理腔室；c)以一量將蒸汽施配至該處理腔室中以向該腔室提供 一具有一足夠接近該目標晶圓溫度，藉蒸發或冷凝，使晶圓溫度可以改變，以提供一溫度調節效應之露點的大氣環境；及d)當該處理腔室之該大氣環境在步驟c)之該露點處時起始該給定晶圓處理製程步驟。
TW098114262A 2008-05-15 2009-04-29 使用含有水蒸汽環境的半導體晶圓處理製程 TWI463547B (zh)

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